[发明专利]双正交内入射式激光自混合微角度测量系统及测量方法

说明书

本发明涉及光学式角度测量技术领域，尤其涉及一种双正交内入射式激光自混合微角度测量系统及测量方法，该测量系统包括第一转盘、第二转盘、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二传动杆、第三传动杆、激光器、分束器、光电探测器和计算机；所述第一相交平面镜和第二相交平面镜均为正交平面镜，该测量系统通过第一相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第二相交平面镜和第三反射镜构成的反射单元，延长了激光自混合信号的外腔光程，相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量范围和测量分辨率。

技术领域

本发明涉及光学式角度测量技术领域，尤其涉及一种基于相交镜的双正交内入射式激光自混合微角度测量系统及测量方法。

背景技术

角度测量技术作为计量技术的重要组成部分，随着科学技术的不断发展，角度测量技术已被广泛应用于光机电一体化、航空航天、军事国防等技术领域。

在角度测量技术中，根据测量原理主要分为三类：机械式角度测量技术、电磁式角度测量技术和光学式角度测量技术，其中机械式角度测量技术和电磁式角度测量技术研究起步最早，机械式角度测量技术以多齿分度盘为代表，电磁式角度测量技术则以圆磁栅测角技术和感应同步器测角技术为代表。无论是机械式角度测量技术还是电磁式角度测量技术均存在需要手工操作和接触测量，不利于实现角度测量自动化的缺点。与机械式角度测量技术和电磁式角度测量技术相比，光学式角度测量技术则具有非接触测量、测量精度高、测量分辨率高等优点。

目前国内外的光学式角度测量技术，根据其测量原理的不同主要分为：圆光栅法、环形激光法、光学内反射法、自准直法、激光干涉法等。

光学内反射法是利用全发射条件下入射角变化与反射光强变化之间的关系，通过测量反射光强的变化来测量入射角的变化；自准直法是利用光学自准直原理，将被测物体上发射环境旋转角度变换成自准直仪接收器上的线量变化，通过测量线量变化间接测量出反射面微小角度的变化，这两种方法都是基于角度变化引起接收光强变化的检测原理，易受到探测器接受面尺寸及电子细分位数的限制，无法保证较高的分辨率和较大的角度测量范围。

激光干涉法是利用角度变化引起相位变化，再通过相位检测机制进行角度测量，典型的激光干涉法是基于迈克尔逊干涉仪的基本原理，通过双光束光程差的变化表示角度的变化量，最终通过观察干涉条纹，获得待测角度。虽然基于双光束激光干涉的角度测量方法与基于测量光强变化的角度测量方法相比，其测量精度和测量范围均有一定程度提高，但其测量装置结构相对较为复杂，增加了系统的体积及成本，同时在实际测量中也难以实现光路自准直。

近年来，基于激光自混合原理的激光干涉角度测量技术逐渐成为角度测量技术的研究热点。相对于传统的激光双光束干涉法角度测量技术，基于激光自混合原理的角度测量技术因其单光路设计、自准直、等优点逐渐成为激光干涉角度测量技术的重要研究方向。国内外多个研究小组已经设计和尝试了多种基于激光自混合原理的微角度测量方案，并获得了初步的实验结果。2008年，暨南大学的钟金刚等人利用旋转平面镜的方法设计研究了一个微角度测量系统，平面镜随转盘转动的过程中会产生角度的变化，进而导致外腔长改变，通过测量反馈光形成的激光自混合干涉信号结合条纹计数法可以获得转盘的转动角度，测角范围为±2.41′。

从上述研究方案可以看出，目前已有的基于激光自混合原理的角度测量装置依然停留在简单采用平面反射镜，对激光光束入射位置存在严格限制，同时旋转过程中，反馈光强度也随角度变化产生涨落，进一步影响了待测信号的信噪比，大幅降低了系统的测量范围和分辨率。还有一些文献中公开了采用单反射棱镜的技术方案，虽然其不受激光入射位置的限制，但测量范围仍然受限于旋转角度，当旋转角度过大时导致光无法被探测，同时仍然存在分辨率较低的问题。

发明内容